北京化工張好斌Adv. Funct. Mater.：一種兼具高強度和高導電性的石墨烯纖維的制備方法

Eric_zhou 1年前 (2022-06-02) 2131瀏覽

 

【導讀】

石墨烯纖維是一種由石墨烯片沿一維方向宏觀組裝而成的新型碳質纖維。不同于以往的碳質纖維，石墨烯纖維的單體是具有良好的導電、導熱、機械強度等性能的二維石墨烯材料，纖維的內部結構三維有序、致密均一，有潛力將碳質纖維的性能推向一個新階段。以石墨烯纖維編織的多功能織物，在能量回收、電磁屏蔽、超級電容器、柔性纖維電池和傳感器等領域具有巨大的應用潛力。石墨烯纖維的制備方法通常為基于氧化石墨烯（GO）的濕法紡絲法。然而，GO的結構缺陷和不完全還原特性導致其抗拉強度和導電性并不理想，阻礙了石墨烯纖維的進一步發展。研究人員嘗試通過使用大尺寸的GO，高溫石墨化處理以及后牽伸工藝來提高石墨烯纖維的性能。例如，在精確控制石墨烯片的取向度和尺寸的條件下，成功制備了強度高達3.4 GPa的石墨烯纖維。但是，在追求高性能石墨烯纖維的過程中，仍存在能耗高、制備工藝繁瑣等局限性。因此，急需一種高效快捷的無需添加劑的高性能石墨烯纖維。

【成果掠影】

近日，來自北京化工大學的張好斌教授等人在先進功能材料（Adv. Funct. Mater.）期刊上報道了一種通過優化GO納米片的表面化學性質（f-GO），制備高性能原始石墨烯纖維的濕法紡絲方法。與傳統hammer法（h-GO）制備的GO相比，該方法制備的GO表面端接的基團（羧基）更少，層間相互作用力更強，更容易形成用于旋轉紡絲的液晶體。因此，制造的f-GO纖維表現出791.7 MPa的非凡拉伸強度和24.0 MJ/m3的高韌性。經過溫和的化學還原后，石墨烯纖維的性能得到進一步地提升，包括875.9 MPa的高拉伸強度，13.3 MJ/m3的韌性和高達1.06 × 105 S/m的導電性，優于已報道的大多數化學還原的石墨烯纖維。此外，該工作還詳細研究了紡絲參數對f-GO纖維微觀結構和力學性能的影響，比較f-GO纖維和h-GO纖維的斷裂行為，并分析了相關的斷裂機理，并展示了f-GO纖維在制備可穿戴織物中的潛力。

【核心創新點】

  1. 無需添加劑的濕法紡絲法
  2. 超高的拉伸強度（9 MPa），韌性（13.3 MJ/m3）和導電性（1.06 × 105 S/m）
  3. 制備方法的可拓展性

【數據概覽】

示意圖 f-GO、f-GO纖維和還原f-GO纖維的制備過程

圖1 f-GO的結構表征

a）f-GO納米片的AFM圖像

b）f-GO 和 h-GO 的 XPS寬光譜圖像

c）f-GO 和 h-GO 的 XPS C1s 光譜圖像

d）f-GO 和 h-GO 的 FTIR 光譜 圖像

e）從 FTIR 光譜衍生的官能團的比率圖像

f）h-GO納米片和f-GO納米片的結構特征

g）25 mg/mL 的 f-GO 和 h-GO 分散體的粘度與剪切速率的關系圖（插圖：倒置注射器中的f-GO和h-GO分散體以顯示它們的粘度差異）

h）f-GO分散體的彩色偏振光學顯微鏡（POM）圖像

i）f-GO纖維的形貌和結構：i1）f-GO 光纖的數碼照片，i2）纖維橫截面的 SEM 圖像，i3） 扭曲纖維的 SEM 圖像， i4）打結纖維的 SEM 圖像

圖2 f-GO纖維的微觀結構和力學性能

a）拉伸斷裂前f-GO（上）和h-GO（下）纖維表面形貌的SEM圖像

b）紡絲、凝膠化和干燥后獲得的不同皺紋形態的f-GO（上）和h-GO（下）纖維的示意圖

c）h-GO纖維和f-GO纖維的應力-應變曲線

d) 拉伸斷裂后f-GO（上）和h-GO（下）纖維表面形貌的SEM圖像

  • 拉伸斷裂后f-GO纖維橫截面形貌的SEM圖像
  • 拉伸斷裂后h-GO纖維橫截面形貌的SEM圖像
  • 拉伸模式下f-GO纖維的斷裂機理

圖3 紡絲參數對f-GO纖維力學性能的影響

    • 用21G、22G和24G噴嘴制備的f-GO纖維表面形貌的SEM圖像
    • 不同噴嘴制備的f-GO纖維的拉伸應力-應變曲線
    • 不同噴嘴制造的f-GO纖維的拉伸強度和韌性比較
    • 不同拉伸比制備的f-GO纖維表面形貌的SEM圖像
    • 方位掃描WAXS圖像，顯示具有不同拉伸比的f-GO纖維的半高全寬
    • 不同拉伸比下 f-GO 纖維拉伸應力-應變曲線
    • 不同拉伸比下 f-GO 纖維的拉伸強度和韌性比較
    • 最大應力為400 MPa時，f-GO纖維（27G-DR = 1.50）的動態應力-應變曲線
  • f-GO纖維的拉伸強度、應變和韌性與其他GO纖維的比較

圖4 還原f-GO纖維的電學和力學性能

  • 不同的還原溫度處理還原的 f-GO 纖維 （27G-DR = 1.50） 的電導率（插圖：在20 °C下，還原 f-GO 纖維作為導線連接電池以點亮 LED 燈陣列）
  • 不同的還原溫度處理還原的 f-GO 纖維 （27G-DR = 1.50） 的力學性能
  • 在30°C下，還原f-GO纖維在最大應力為200 MPa下的循環應力-應變曲線
  • 還原f-GO纖維與已報告的化學還原的GO纖維之間的力學和電學性能的比較
  • 在20°C下，輸入電壓范圍為5至3 V的還原f-GO纖維的焦耳加熱性能（插圖：紅外相機記錄的3 V以下光纖中溫度分布的變化）
  • 將還原的f-GO纖維編織成商用織物，得到用于手指關節熱物理治療的導電織物，相關熱成像圖片顯示了導電織物良好的加熱性能

【成果展示】

研究報告了一種優化GO前驅體的表面化學性質并控制紡絲和組裝行為的纖維濕法紡絲制備工藝，并通過此方法制備了一種高強度和高導電性的石墨烯纖維。經過優化的f-GO具有較少的結構缺陷和易于去除的含氧基團，表現出良好的可紡性和流動性。通過優化紡絲條件，所得的f-GO纖維沿其軸向呈現出更好的取向和排列順序，從而具有791.7 MPa的卓越拉伸強度和24.0 MJ/m3的韌性。此外，經過溫和的化學還原后，f-GO纖維上的氧官能團被去除，使纖維具有875.9 MPa的高拉伸強度，13.3 MJ/m3的韌性和高達1.06 × 105 S/m的導電性。該研究為高性能石墨烯纖維和柔性可穿戴器件的大規模生產提供了一條全新的途徑。

【文獻鏈接】

advanced functional materials：Tough, Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry of Graphene Oxide Precursor

DOI：10.1002/adfm.202112156

本文由我亦不離去供稿。

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